(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giao tiếp, điều khiển thiết bị thông minh

(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giao tiếp, điều khiển thiết bị thông minh(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giao tiếp, điều khiển thiết bị thông minh(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giao tiếp, điều khiển thiết bị thông minh(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giao tiếp, điều khiển thiết bị thông minh(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giao tiếp, điều khiển thiết bị thông minh(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giao tiếp, điều khiển thiết bị thông minh(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giao tiếp, điều khiển thiết bị thông minh(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giao tiếp, điều khiển thiết bị thông minh(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giao tiếp, điều khiển thiết bị thông minh(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giao tiếp, điều khiển thiết bị thông minh(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giao tiếp, điều khiển thiết bị thông minh(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giao tiếp, điều khiển thiết bị thông minh(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giao tiếp, điều khiển thiết bị thông minh(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giao tiếp, điều khiển thiết bị thông minh(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giao tiếp, điều khiển thiết bị thông minh(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giao tiếp, điều khiển thiết bị thông minh(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giao tiếp, điều khiển thiết bị thông minh(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giao tiếp, điều khiển thiết bị thông minh(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giao tiếp, điều khiển thiết bị thông minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIAO TIẾP, ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ THƠNG MINH SVTH1 MSSV SVTH2 MSSV Khố Ngành GVHD : : : : : : : KIỀU MINH TRIẾT 16141086 ĐÀO MINH HIẾU 16141029 2016 Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông TS TRƯƠNG NGỌC SƠN Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIAO TIẾP, ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ THƠNG MINH SVTH1 MSSV SVTH2 MSSV Khố Ngành GVHD : : : : : : : KIỀU MINH TRIẾT 16141086 ĐÀO MINH HIẾU 16141029 2016 Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông TS TRƯƠNG NGỌC SƠN Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian học tập rèn luyện Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật nói chung Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao nói riêng, em nhận quan tâm, giúp đỡ bảo giảng dạy tận tình từ phịng ban, đồn thể quý thầy cô nhà trường Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban Giám Hiệu nhà trường Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao tạo điều kiện cho chúng em có hội tiếp cận với thực tế nghề nghiệp qua kỳ kiến tập, thực tập Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy cô Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao, đặc biệt TS Trương Ngọc Sơn – giảng viên hướng dẫn truyền đạt đóng góp cho em kiến thức bổ ích để em hồn thành báo cáo cách tốt Em xin chân thành cảm ơn TP.HCM, ngày 15 tháng 08 năm 2020 Sinh viên thực Kiều Minh Triết Đào Minh Hiếu i TÓM TẮT Trong xã hội kỷ 21, người ngày bận rộn với công việc, song song với cơng nghệ ngày phát triển để phục vụ sống người tốt Con người ngày cần thiết bị mang tính tự động cao để phục vụ cho sống, trước tiên từ thiết bị điện quen thuộc nhà họ Vì vậy, nhóm định chọn đề tài “ Thiết kế hệ thống giao tiếp, điều khiển thiết bị thông minh” với mong muốn cho sống người ngày tối ưu, tiện lợi Hệ thống mô mô hình hộp có đáy hình chữ nhật 30x25 cm, chiều cao hộp 15cm Phần cứng mơ hình cấu tạo từ xử lý trung tâm hệ thống nhúng Rasberry Pi Zero W nhận tín hiệu âm từ mạch cảm biến âm tích hợp điều khiển độ lợi tự động (AGC MAX9814) thông qua chuyển đổi âm sang USB (USB Sound Card) liệu nhiệt độ từ mô-đun cảm biến nhiệt độ DS18B20 Rasberry Pi sau xử lý liệu tiến hành điều khiển thiết bị điện gồm đèn quạt thơng qua mạch relay Ngồi cịn có LCD hiển thị nhiệt độ thời gian thật lắp bên hơng mơ hình Bộ mã nguồn hệ thống lập trình phát triển hệ thống nhúng Raspberry Nhóm sử dụng thư viện mã nguồn mở Google Speech tảng Python để chuyển đổi từ lời nói sang văn Sau q trình nghiên cứu, mơ phỏng, xây dựng hệ thống, nhóm hồn thành mơ hình hệ thống giao tiếp, điều khiển thiết bị thơng minh Hệ thống có chức nhận diện giọng nói người sử dụng, hỏi trả lời người dùng, điều khiển thiết bị đèn, quạt Hệ thống cịn đo nhiệt độ xác định thời gian thật hiển thị LCD ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH ẢNH v DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC VIẾT TẮT viii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 1.4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 1.5 BỐ CỤC ĐỀ TÀI CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 PHẦN CỨNG 2.1.1 Raspberry Pi 2.1.2 Cảm biến âm tích hợp AGC MAX9814 2.1.3 LCD 2.1.4 Bộ chuyển đổi âm sang USB (USB Sound Card) 2.1.5 Mạch khuếch đại âm PAM8403 10 2.1.6 Mô-đun cảm biến nhiệt độ DS18B20 11 2.2 PHẦN MỀM 11 iii 2.2.1 Hệ điều hành Raspbian 11 2.2.2 Ngôn ngữ lập trình Python 12 2.2.3 Nhận diện giọng nói chuyển lời nói thành văn 14 2.2.4 Nhận diện lời nói sang văn sử dụng thư viện mã nguồn mở 18 2.2.5 Thuật toán khoảng cách Levenshtein 22 2.2.6 Chuẩn tích hợp I2C 23 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIAO TIẾP, ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG GIỌNG NÓI…………………………………………………………….25 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG 25 3.2 SƠ ĐỒ MẠCH NGUYÊN LÝ CỦA HỆ THỐNG 26 3.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIAO TIẾP, ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG GIỌNG NÓI 27 3.3.1 Khối thu thiết bị âm 27 3.3.2 Khối xử lý trung tâm 28 3.3.3 Khối điều khiển thiết bị 29 3.3.4 Mạch khuếch đại âm PAM8403 33 3.3.5 Mô-đun cảm biến nhiệt độ DS18B20 34 3.4 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CỦA HỆ THỐNG 35 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THỰC HIỆN 40 4.1 HỆ THỐNG CHÍNH 40 4.2 HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 44 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 49 5.1 Kết luận 49 5.2 Hướng phát triển 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 iv DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Kích thước sơ đồ chân GPIO Raspberry Pi Zero W Hình 2.2: Cảm biến âm tích hợp AGC MAX9814 Hình 2.3: Hình ảnh mơ LCD 16x2 Hình 2.4: Bộ chuyển đổi âm sang USB (USB Sound Card) Hình 2.5: Mạch khuếch đại âm PAM8403 10 Hình 2.6: Module cảm biến nhiệt độ DS18B20 11 Hình 2.7: Các phiên hệ điều hành Raspbian 12 Hình 2.8: Mơ hình hệ thống chuyển đổi lời nói sang văn 15 Hình 2.9: Sơ đồ khối trình tính MFCC lời nói 16 Hình 2.10: Các lọc thang Mel 17 Hình 2.11: API 22 Hình 2.12: Sơ đồ giao tiếp chuẩn I2C 24 Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống giao tiếp, điều khiển thiết bị giọng nói 25 Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý cảm biến âm tích hợp AGC MAX9814 27 Hình 3.3: Sơ đồ mạch nguyên lý module điều khiển thiết bị 29 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý mạch relay 29 Hình 3.5: Relay 31 Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý relay 32 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại âm PAM8403 33 Hình 3.8: Lưu đồ tổng quát 35 Hình 3.9: Lưu đồ giải thuật khối chào người dùng 36 Hình 3.10: Lưu đồ giải thuật khối nhận diện tiếng nói thực lệnh 37 Hình 3.11: Lưu đồ giải thuật khối hiển thị LCD khối đo nhiệt độ 39 Hình 4.1: Mơ hình hệ thống tầng 40 Hình 4.2: Tầng hệ thống 41 Hình 4.3: Tầng hệ thống 42 Hình 4.4: Các nguồn cấp dùng hệ thống 43 Hình 4.5: Điều khiển đèn/quạt thứ 45 v Hình 4.6: Điều khiển đèn/quạt thứ hai 46 Hình 4.7: Trường hợp điều khiển đèn/2 quạt 47 Hình 4.8: Trường hợp hiển thị nhiệt độ thời gian thực LCD 47 vi DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Các giao tiếp mô-đun Raspberry Pi Zero W Bảng 2.2 Chức chân LCD 16x2 Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật LCD 16x2 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật cảm biến âm tích hợp AGC MAX9814 27 Bảng 3.2 Thông số Raspberry Pi Zero W 28 Bảng 3.3 Các chuẩn kết nối Rapsberry Pi Zero W 28 Bảng 3.4 Thông số ngõ vào opto PC817 30 Bảng 3.5 Thông số ngõ opto PC817 30 Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật transistor C1815 30 Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật diode 31 Bảng 3.8 Thông số kỹ thuật mạch PAM8403 33 Bảng 3.9 Thông số kỹ thuật mô-đun DS18B20 34 vii DANH MỤC VIẾT TẮT BLE Bluetooth Low Energy MAX Microphone Amplifier Module AGC Automatic Gain Control MFCC Mel-Frequence Cepstral Coefficent I2C Inter-Integrated Circuit API Application Programming Interface GPIO General-Purpose Input/Output HDMI High-Definition Multimedia Interface OTG One-The-Go viii Khi người dùng nói, tín hiệu âm nhận thiết bị thu tín hiệu âm Max9814 chuyển thành liệu điện truyền tới Raspberry Pi Zero W (Bộ xử lý trung tâm) thông qua USB Sound (Bộ chuyển đổi âm sang USB) Dữ liệu âm gửi đến mã nguồn mở nhận diện giọng nói (Speech API) google xử lý trả liệu chuỗi nhận diện Raspberry Dữ liệu chuỗi sau đưa vào vịng lặp so sánh với thành phần liệu câu lệnh tạo từ ban đầu đến so sánh hết phần tử chuỗi tự động vịng lặp Ở khâu so sánh sử dụng thuật toán khoảng cách Levenstein để tính phần trăm giống liệu chuỗi trả liệu câu lệnh, phần trăm lớn 60% hệ thống thực lệnh loa phát báo hiệu thực xong lệnh đồng thời vòng lặp bị phá vỡ Còn phần trăm bé 60% hệ thống quay lại so sánh liệu chuỗi trả với phần tử liệu câu lệnh 38 Hình 3.11: Lưu đồ giải thuật khối hiển thị LCD khối đo nhiệt độ Tín hiệu âm thời gian nhiệt độ thu thập, sau hiển thị LCD loa phát file thông báo Nếu nhiệu độ lớn 30 ºC thực thi cậu lệnh “ Bạn có muốn mở quạt không?” Nếu nhiệt độ nhỏ 30 ºC hệ thống xét tiếp điều kiện “18